会员登录

账号:

密码:

元素有机化学国家重点实验室(南开大学)

最新研究成果

研究成果

周其林院士团队:通过Ni (0)-催化的C-C键裂解实现了烯丙胺的烯基交换

发布单位:元素有机化学国家重点实验室   发布时间:2019/03/26    浏览次数:597次

      近日,周其林院士团队报道了通过Ni(0)-催化的C-C键裂解实现了烯丙胺和烯烃之间的烯基交换,为制备烯丙胺提供了新途径。该成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上(DOI:10.1021/jacs.8b13251)。



      官能团交换如酯交换和烯烃复分解反应等可以用于引入或脱除官能团从而制备传统方法难以合成的复杂分子,为有机合成开辟了新的途径。过渡金属催化的选择性裂解和C-C键生成是现代有机合成中的基本转化,其中涉及的催化转移官能化也可视为基团交换反应,但两个交换的官能团彼此不同。烯丙胺是广泛用于合成化学品、药物和农用化学品的多功能结构单元,通常利用烯烃或其等价物与亚胺加成来得到(Scheme 1a)。然而,亚胺稳定性通常较差、且易发生亚胺-烯胺互变异构、分解和自缩合,限制了其用于合成烯丙胺的应用。
      最近,南开大学周其林院士团队开发了一种通过Ni(0)-催化的亚胺加氢烯化合成烯丙胺的方法,该反应的可逆性表明烯丙胺的链烯基可以与另一种烯烃交换以产生新的烯丙胺。在该烯基交换反应中,烯丙胺底物、烯丙胺产物和两种烯烃均处于平衡状态;如果产生的烯烃可以从反应体系中挥发出去,则平衡将向有利于形成新烯丙胺的方向移动(Scheme 1b)。近日,周其林院士团队报道了通过Ni(0)-催化的C-C键裂解实现了烯丙胺和烯烃之间的烯基交换,为制备烯丙胺提供了新途径。


      首先,作者研究了苯乙烯(1a)和烯丙胺2a之间的烯基交换,并用Ni(COD)2和PCy3原位产生的镍催化剂评估了烯丙胺底物中链烯基的作用(Table 1)。首先,含有乙烯基的烯丙胺2a是与苯乙烯反应的理想底物,能以99%的产率得到烯丙胺3a;其次,其他烯丙胺与苯乙烯反应也可以得到3a。其中,由2d反应产生3a的结果排除了反应通过烯烃复分解机理进行的可能性。



      在优化的条件下,作者研究了烯丙胺2的底物范围(Table 2)。烷基取代的烯丙胺进行链烯基交换的产率极高(88-98%),并且与烷基的空间位阻无关。通过烯烃和亚胺的偶联难以得到的3i和3j可以由底物2i和2j进行链烯基交换得到。含有小环、醚键或C=C键的烯丙胺可以顺利进行反应,并未检测到来自底物中额外C=C键反应的竞争产物。底物2n-2p中另外的C=C键的耐受性不仅表明该反应是烯丙胺的烯基交换反应,而且选择性地与两个C=C键之一反应显示出了该方法优于烯烃复分解反应。此外,外消旋的烯丙胺2q在反应中不具有非对映选择性,得到烯基交换产物3q的两个非对映异构体(1:1)混合物。接下来,作者考察了含有芳基的烯丙胺的底物范围,发现这些底物在用于烷基取代的烯丙胺的条件下在链烯基交换反应中转化率较低。因此,作者尝试了各种添加剂并发现TsNH2效果最好,然后进行了苯乙烯和芳基取代的烯丙胺之间的烯基交换反应2r-2ab。芳基的电性对产率影响不大,但对甲氧基苯基取代的2y和2-萘基取代的2z产率较低(分别为44%和36%)。此外,作者还考察了烯丙胺的氮原子上保护基的影响,证明了磺酰基是必要的,并且p-CF3-苯磺酰基化合物2aa的产率分别低于p-Ts-和p-OMe-苯磺酰基化合物2r和2ab;由于硝基苯磺酰基烯丙胺与该方法不相容,未能得到预期产物。



      然后,作者研究了烯烃的底物范围(Table 3)。含有不种电性和空间位阻取代基的芳基烯烃以及杂芳基烯烃大多以较好的产率(60%~98%)顺利进行反应,仅噻吩基取代的烯烃4n得到的产率较低(45%)。TMS和Bpin基团对该反应耐受性良好,易于进一步官能团化。脂肪族α-烯烃也可以与2a反应,但主产物为高烯丙基胺;仅有底物1f的主产物是烯丙基胺4r。这种转化可用于复杂分子的衍生化:利用烯丙胺2i与烯烃1u反应作为关键步骤,成功合成了5-脂氧合酶抑制剂BW B70C。

      Ogoshi课题组和作者均报道,Ni(0)可以介导亚胺和烯烃的反应形成五元氮杂-镍金属环中间体。作者在此主要研究氮杂-镍金属环形成的各个步骤和烯丙胺的C-C键断裂(Scheme 2)。首先,作者发现在化学计量的Ni(COD)2/PCy3作用下,烯丙胺2a与CO发生羰基化得到γ-内酰胺5(Scheme 2a)。CO插入Ni-C键中,表明Ni(0)与烯丙胺2a形成氮杂-镍金属环中间体。接下来,作者用d8-苯乙烯和d-2a进行了氘标记实验(Scheme 2b),产物和回收底物中C=C键处的不规则H/D分布表明:1)2a的N-H质子参与Ni-H中间体的形成;2)Ni-H的形成和随后的插入/环化/β-H消除都是可逆的。为了评估C-C键的裂解步骤(Scheme 2c),作者研究了烯丙胺3r的裂解反应并得到苯乙烯和苯甲醛。该结果表明,烯丙胺可以被Ni催化剂裂解成亚胺和烯烃,再与另一种烯烃进行交换。烯丙胺3r与4-叔丁基苯乙烯的交换反应仅产生烯丙胺4v而未产生1-苯基-2-(4-叔丁基苯基)乙烯,表明该反应通过可逆烯基交换机理进行,而非烯烃复分解机理。



      基于先前的研究和上述实验结果,作者提出了烯丙胺的烯基交换的可能反应机理(Scheme 3)。1)芳胺的N-H键与Ni(0)氧化加成得到Ni-H中间体A;2)2中C=C键插入Ni-H键中,然后进行分子内配位/环化得到氮杂-镍金属环中间体C;3)C经C-C键裂解形成由烯烃和亚胺配位的镍络合物D;4)中间体D与烯烃1进行配体交换产生中间体E,E再经新的氧化环化形成氮杂-镍金属环中间体F。芳胺的N-H键通过N原子质子化促进F的开环形成中间体G并与氮杂-镍金属环的镍原子配位。最后,G经β-H消除产生链烯基交换产物3,并再生Ni-H中间体A。


      小结:周其林院士团队开发了一种通过Ni(0)-催化的C-C键裂解进行的烯丙胺和烯烃之间的烯基交换方法,为制备烯丙胺提供了新途径。在该反应中,Ni(0)介导氮杂-镍金属环的形成并通过C-C键裂解分解为烯烃和亚胺,这种催化循环可能还适用于其他动态共价化学转化。

(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)